대한조선학회논문집 Journal of the Society of Naval Architects of Korea Vol. 49, No. 2, pp. 132-145, April 2012 http://dx.doi.org/10.3744/snak.2012.49.2.132 유한요소법을이용한클로즈드초크의구조검증및표준화에대한연구 정재욱 1 이병훈 1, 부산대학교기계공학부기계기술연구원 1 Strength Analysis and Standardization for Closed Chocks by Using the Finite Elements Method Jae-Wook Jung 1 Byung Hoon Lee 1, School of Mechanical Engineering, RIMT, Pusan National University 1 Abstract Mooring fittings mean various devices and fittings to safely fasten vessels to quays, jetties and sea-floating buoys, etc. They include mooing winches, capstans, chocks, fairleads, guide rollers, bollards, and bitts. Not only the seats and reinforced parts for the installation of fittings but also ropes and chains for mooring and chain stoppers can be also considered. Because of damages to mooring fittings during mooring directly related to large-scale accidents such as the drifting of vessels, mooring fittings with strength appropriate for the physical features of the vessels must be installed. The reinforcement of the vessels on which the mooring fittings are installed must be designed to withstand the loads transferred from the fittings as well. Also mooring fittings with efficient strength should be required because damaged ships lead to sea pollution such as oil or fuel oil spillage. This study has been performed by the Finite Element Method for two aspects of closed chocks which are divided into structure-supporting shapes and working load. In the case of structure-supporting shapes, they have been performed in the field of sheet and bulwark. As for working load, it has been analyzed according to working load direction such as chock's side and below. At first, strength analysis for unique closed chocks has been carried out by using the Finite Element Method, they are applied for the situation when vessels pass by the panama canal. And then the experiment has been done to verify the analyzed date obtained by FEM. The experimental results were found to be similar to the numerical results with up to 16% difference. On the basis of the results obtained, standardization has been carried out by the Finite Element Method for various sizes of closed chocks. Keywords : Mooring( 계류 ), Chock( 초크 ), Standardization( 표준화 ), FEM( 유한요소법 ) 1. 서론 1.1 연구배경 선박계류장치 (mooring and towing fittings) 는해상또는해안에서선박을안전하게묶어두기위한모든기기및장비들을의미한다. 이러한선박계류장치는선박의종류에관계없이모든선박에설치되어있는필수구조물로서조류력, 풍하중, 파랑하중등해상의다양한조건들을견뎌야한다. 선박계류장치의구성물은계류윈치 (winch) 와같은기기류와초크 (chock), 페어리드 (fairlead), 가이드롤러 (guide roller), 볼라드 (bollard), 비트 (bitt) 등과같은피팅 (fitting) 류및그피팅들이설치된부분의시트 (seat) 와선체보강부를포함하며계류에사용되는로프 (rope), 체인 (chain) 및체인을선박에고정하는체인 고정장치등을포함한다. 선박계류장치는반드시그선박의크기에적합한강도를갖도록설치되어야하고, 또한그하부선체보강도선박계류장치로부터전해오는하중에충분히견디도록설계되어야한다. 강도가검증되지않은선박계류장치사용시, 대형사고의유발또는선박손상에의한내부에실린화물유, 연료유등의유출로인하여해양오염의우려가있기때문에특히충분한강도가요구된다. 그럼에도불구하고, 그동안관련선박계류장치의선정및적용기준이없거나서로다르다. 왜냐하면선박계류장치의종류가매우다양하고또한선박의크기에따라다양한크기의계류장치를적용해야하므로모든종류및크기별로설계및강도를검증하는것은매우방대한작업이기때문이다. 또한, 현재국내각조선소간계류장치에대한설계기준도다르고, 또한동일한아이템에대하여서로다른적용기준을가지고있는실정이다. 선박 접수일 : 2011 년 9 월 19 일 1 차수정일 : 2011 년 10 월 18 일 게재확정일 : 2012 년 2 월 21 일 교신저자 : mebhlee@pusan.ac.kr, 051-510-2305
정재욱 이병훈 계류장치의표준화가이루어지면, 조선소에서는통일화된규격으로발주함으로써어느동종업체에서도구매가가능하게되며, 기자재업체는공정및생산성이향상된다. 1.2 연구동향 는로프가통과하는초크를지지해주는구조물인시트를포함하는형태의시트타입 (Fig. 1(a)) 과초크를둘러싸고있는불워크 (bulwark) 를포함하는불워크타입 (Fig. 1(b)) 및하나의시트에두개의초크가결합된더블초크타입으로분류한다. 선박계류장치표준화의필요성이제기되어주요조선소는 2003 년도부터민간협의체를구성하여약 5년여에걸쳐선박에적용되는계류장치에대한표준화작업의토대를마련하였고 (Cha, 2009; Oh, 2009), 오창민등은볼라드형의계류장치에대한비선형강도해석을수행하였다 (Oh, et al., 2006). 하지만, 선박계류장치의주를이루고있는클로즈드초크에대한표준화연구는전무한상황이다. 최근지식경제부기술표준원의표준기술력향상사업의일환으로조선기자재연구원이주관하여국내대형조선사에서선박계류장치위원회를구성하여선박계류장치에대한표준화작업을수행하였다.(OCIMF, 1997; KOMERI, 2008). 선박계류장치위원회에서는각조선소별로다양한모델에대해선종에따른표준화대상모델을선정하였고, 각대상별로표준화연구가활발하게진행되고있다. (a) Closed chock for seat type 1.3 연구목적및내용 연구대상은선박계류장치중가장많이사용되고있는클로즈드초크 (closed chock) 이다. 클로즈드초크는 2가지로분류할수있는데, 로프가통과하는초크를지지해주는구조물인시트를포함하는형태의시트타입과초크를둘러싸고있는불워크 (bulwark) 를포함하는불워크타입으로분류한다. 초크류는주로주강으로만들어지며, 시트와불워크는강판을가공하여만들어진다. 대부분의구성품은국제석유회사해사평의회의규정을만족해야한다 (OCIMF, 1997). 선박계류장치위원회에서는각타입별로치수가다른 10 종의표준화대상을선정하였고, 본연구에서는총 20 종에대한강도해석을수행하여, 표준화대상의적합성을검증하였다. 또한 1 종에대해강도실험을실시하여, 강도해석치와의관계를살펴보고자한다. 최종연구목표는유한요소법을이용하여선박계류장치중가장일반적으로많이사용되고있는클로즈드초크에대한강도해석을수행하여표준화를하는것이다. 2. 표준화모델 2.1 표준화모델선정본논문에서는선박계류장치중에서가장많이사용되는클로즈드초크에대해연구하였다. 클로즈드초크의형상을 Fig. 1에나타내었다. 클로즈드초크는세가지로분류할수있는데, 하나 (b) Closed chock for bulwark type Fig. 1 Geometry of closed chock Table 1에구조검증을수행하기위한대상을나타내었다. 선박계류장치위원회에서는운하통과시요구되는치수, 선박의장수및선종을고려하여각타입별로치수가다른 10 종의표준화대상을선정하였고 (KOMERI, 2008), 본연구에서는총 50 종에대한강도해석을수행하여표준화대상의적합성을검증하였다. Table 1 Analysis target for standardization No. Nominal size Ship type Remark 1 310 260 358 46 2,500 TEU container Panamax 2 360 260 358 4,200 TEU container Panamax 3 400 250 358 4 450 250 358 5 500 250 358 6 400 250 428 70 5,500 TEU container Aframax 7 450 250 428 8 500 250 428 9 500 400 428 10 500 400 525 115 8,000 ~ 9000 TEU container 12,600 TEU container Suezmax VLCC JSNAK, Vol. 49, No. 2, April 2012 133
유한요소법을이용한클로즈드초크의구조검증및표준화에대한연구 또한 1 종에대해강도실험을실시하여강도해석결과값과의관계를살펴보았다. 2.2 표준화모델종류 2.2.1 시트타입클로즈드초크 표준화작업을위해서 Fig. 2에 10 종의시트타입에대한초크도면을나타내었고 Table 2에치수를표기하였다. Fig. 3에는 10 종의초크에대응하는시트의도면을나타내었고, Table 3에시트에대한치수를표기하였다. 각 Table 에표기된치수는선박계류장치위원회에서선정된치수이다. 본연구에서는두께요소를변수로채택하여, 목표강도에미치지못하는경우에적합한두께를적용할수있도록파라메트릭해석을수행하였다. Fig. 2 Drawing of closed chocks for seat type (Refer to Fig. 1(a)) Table 2 Dimensions of closed chocks for seat type Fig. 3 Drawing of seats for seat type (Refer to Fig. 1(a)) Table 3 Dimensions of seats for seat type unit : mm No. Nominal size L L1 L2 B Seat plate thickness T T1 1 310 260 358 738 1 342 420 15 18 2 360 260 358 790 1 394 420 18 24 3 400 250 381 850 130.5 511 446 18 24 4 450 250 381 900 131 560 446 18 24 5 500 250 381 950 131 610 446 18 24 6 400 250 428 950 139 588 493 20 30 7 450 250 428 950 139 588 493 20 30 8 500 250 428 1000 139 638 493 20 30 9 500 400 428 1000 139 638 493 20 30 10 500 400 525 1098 165 692 590 22 32 unit : mm No. Nominal size (L H B) L1 L2 L3 L4 L5 D H1 H2 H3 R R1 R2 R3 R4 R5 K T 1 310 260 358 199 105 310 708 652 38 639 541 199 130 329 231 140 142 195 15 32 2 360 260 358 200 130 360 760 704 40 640 542 200 130 330 232 138 140 192 15 34 3 400 250 381 202 150 400 804 750 44 632 535 202 125 327 230 134 136 185 20 36 4 450 250 381 203 175 450 856 802 46 633 537 203 125 328 232 132 134 182 20 38 5 500 250 381 204 200 500 908 854 48 634 539 204 125 329 234 130 132 180 20 40 6 400 250 428 242 150 400 884 820 50 707 638 241 125 367 297 164 166 176 25 40 7 450 250 428 242 175 450 934 870 50 707 638 241 125 367 297 164 166 176 25 40 8 500 250 428 242 200 500 984 920 50 707 638 241 125 367 297 164 166 176 25 40 9 500 400 428 242 200 500 984 920 50 857 788 241 125 442 372 164 166 176 25 40 10 500 400 525 289 200 500 1078 1013 50 953 809 288 200 489 347 212 214 298 20 40 134 대한조선학회논문집제 49 권제 2 호 2012 년 4 월
정재욱 이병훈 2.2.2 불워크타입클로즈드초크 Fig. 4에 10 종의불워크타입에대한초크도면을나타내었고 Table 4에치수를표기하였다. Fig. 5에는 10 종의초크에해당하는불워크의도면을나타내었고, Table 5에불워크에대한치수를표기하였다. 각 Table 에표기된치수는선박계류장치위원회에서선정된치수이다. 본연구에서는두께요소를변수로채택하여, 목표강도에미치지못하는경우에적합한두께를적용할수있도록파라메트릭해석을수행하였다. Fig. 5 Drawing of closed chocks for bulwark type (Refer to Fig. 1(b)) Fig. 4 Drawing of closed chocks for bulwark type (Refer to Fig. 1(b)) Table 5 Dimensions of bulwarks for bulwark type unit : mm No. Nominal size A B R T 1 310 260 358 8 739 344 15 2 360 260 358 692 792 313 15 3 400 250 381 8 838 344 22 4 450 250 381 8 888 344 22 5 500 250 381 8 938 344 22 6 400 250 428 736 8 3 24 7 450 250 428 736 936 3 24 8 500 250 428 736 9 3 24 9 500 400 428 8 9 443 24 10 500 400 525 982 1082 491 26 Table 4 Dimensions of closed chocks for seat type unit : mm No. Nominal size (L H B) L1 L2 L3 D H1 H2 H3 R R1 R2 R3 R4 R5 T 1 310 260 358 212 735 652 38 212 4 462 130 342 231 148 140 195 32 2 360 260 358 214 788 704 40 214 8 464 130 311 232 146 138 192 34 3 400 250 381 216 832 750 44 216 2 460 125 341 230 144 134 185 36 4 450 250 381 218 8 802 46 218 6 464 125 343 232 142 132 182 38 5 500 250 381 220 940 854 48 220 690 4 125 345 234 140 130 180 40 6 400 250 428 256 912 820 50 256 762 594 125 381 297 166 164 176 40 7 450 250 428 256 962 870 50 256 762 594 125 297 297 166 164 176 40 8 500 250 428 256 1012 920 50 256 762 594 125 297 297 166 164 176 40 9 500 400 428 256 1012 920 50 256 912 744 125 372 372 166 164 176 40 10 500 400 525 304 1108 1013 50 304 1008 690 200 504 347 214 212 298 40 JSNAK, Vol. 49, No. 2, April 2012 135
유한요소법을이용한클로즈드초크의구조검증및표준화에대한연구 3. 유한요소해석및강도평가실험 3.1 클로즈드초크의유한요소해석 2절에서언급한바와같이클로즈드초크는시트타입과불워크타입및더블초크타입으로구분할수있으며, 총 50 종의클로즈드초크에대한유한요소해석을수행하여표준화대상의적합성을검증하였다. 유한요소모델에사용된요소의종류는파라메트릭해석에서두께변화를용이하게하기위해선급규정에따라 Shell 을적용하였고, 요소의크기는 Shell 두께의 3배를적용하였다. (a) case1(lc1) Fig. 6 ing cases (b) case2(lc2) 3.1.1 재료물성치 초크와시트는각각 SCW480, SS400 (C<=0.23%) 으로제작 되었고이들재료의기계적성질은 Table 6과같다. Table 6 Material properties for closed chock Application Chock Seat / Bulwark Material SCW480 SS400 Elastic modulus [GPa] 206 206 Poisson ratio 0.3 0.3 Yield stress [MPa] 275 235 설계하중은식 (1) 과같이허용응력 (allowable stress) 과 / 수치계산응력 (calculated stress) 을사용하여계산하였다. 여기서허용응력은항복응력의 1.06 배이며, 설계하중 (design load) 은 의 1.25 배로적용하였다. 이는안전사용하중을적용하여계산응력이재료의항복응력의 85% (= 1.06 / 1.25) 를넘지않도록하였다 (IACS, 2004, 2011; ISO 3913, 1977; JIS F 2001-1995, 1995; KS V 4011, 2009). 로프에의하여초크에전달되는힘은초크와의마찰을고려하여평가해야하나안전측의고려로서마찰없이직접연결된구조로간주하여다음과같이고려하였다. 로프에단위하중 1 N을적용하였으며로프에의하여초크에전달되는힘은직접하중계산을통해얻은값을적용하였다. 각노드에걸리는하중을 Fig. 7에나타내었고, 아래의비례식에의해설계하중값을도출하였다. Ultimate stress [MPa] 480 400 설계하중 (ton) = 단위하중 (1 N) * 허용응력 / ( 해석결과 *1000) (1) 3.1.2 하중및경계조건 가. 하중조건 Table 1에치수별목표안전사용하중 (Safety Working, ) 을나타내었으며, 해석결과와비교하였다. 하중조건은로프가 Fig. 6과같이작용하는경우중에서하중조건 1(LC 1) 과 2(LC 2) 의경우로해석하였다. Fig. 6(a) 에하중조건 1(LC1) 의경우를나타내었다. 로프가초크를통하여 180 꺾이는경우의하중을고려 (θ = 20 ) 하였고, 국제석유회사해사평의회의로프안내방향규정을적용하였다. Fig. 6(b) 에하중조건 2(LC2) 의경우를나타내었다. 로프가초크를통하여선외하방 90, 선내하방 30 꺾이는경우의하중을고려하였고, 국제석유회사해사평의회의로프안내방향규정을적용하였다. 두가지해석모두에서적용되어지는 P는로프에가해지는계류하중또는예인하중을의미한다. Fig. 7 The method of calculation for load 136 대한조선학회논문집제 49 권제 2 호 2012 년 4 월
정재욱 이병훈 유한요소해석에서로프에가해지는하중은단위하중을적용하여, = 1[N] 이다. 유한요소모델에서각각의절점에가해지는하중을,,, 이라고하면힘의평형조건에서다음식 (2) 와같다. + = + + + + + (2) 즉유한요소모델에서절점의좌표값이주어지면벡터계산법에의해각절점에가해지는힘을계산할수있다. 하중조건 1의경우유한요소모델에적용된힘의위치와크기를 Fig. 8와 Table 7에나타내었다. Fig. 8(a) 에서각절점별로힘이적용되는방향을확인할수있다. Fig. 8(b) 에서는힘이적용되는각절점의번호를나타내었고, 각절점에적용한힘을 Table 7에나타내었다. Table 7 Nodal coordinates and forces in 1 Node X Y Z F [N] 6340 0.102679 0.303539 0 0.320435 6339 0.296966 0.30753 0 0.427508 6337 0.262382 0.143121 0 0.298878 6325 0.261218 0.060577 0 0.215 6341 0.301804-0.01454 0 0.302154 6549 0.342321-0.08966 0 0.3539 6375 0.208547-0.14822 0 0.255852 6377 0.338734-0.40694 0 0.529472 6378 0.018438-0.13453 0 0.135788 * Nominal size : 360 260 358 나. 변위경계조건 Fig. 9에변위경계조건을나타내었다. Fig. 9의표시부를 6 자유도 (Degree Of Freedom, DOF) 에해당하는 X, Y, Z 좌표의변위 Dx, Dy, Dz 와회전 Rx, Ry, Rz 에대하여고정하였다. Figs. 9(a) ~ (b) 에각타입별클로즈드초크가단독으로사용되었을때의변위경계조건을나타내었고, Figs. 9(c) ~ (d) 에클로즈드초크가시트혹은불워크에결합되었을때의변위경계조건을나타내었다. 기본적으로선체와결합되는부위를고정하였고, 용접부의강도는충분한것으로가정하였다. (a) Force direction at node (a) Seat type closed chock (b) Bulwark type closed chock (b) Node number applied load Fig. 8 Applied load (c) Closed chock with seat (d) Closed chock with bulwark Fig. 9 Boundary s for displacement JSNAK, Vol. 49, No. 2, April 2012 137
유한요소법을이용한클로즈드초크의구조검증및표준화에대한연구 3.1.3 파라메트릭해석 Table 9 Analysis s for seat type 가. 시트타입 Alternative Analysis 유한요소법을이용하여시트타입초크의선정된설계변수에대한파라메트릭해석을수행하여강도해석을수행하였다. 목표 을만족하기위해서다양한형상변경방법이시도될수있으며, 여기서는두께의변수를적용하여, 설계최적화방법을시도하였다. 시트타입의 10 종류중 Table 1에서두번째에해당하는 360 260 358 에대해해석을수행하였으며, 나머지사이즈에대해서도동일한방법으로파라메트릭해석을수행하였다. 시트타입초크의파라메트릭해석을수행하기위한설계변수는초크의두께 ( ) 와시트두께 ( ), 시트플레이트전면부두께 ( ) 로선정하였으며 Fig. 10 에나타내었다. Table 8과같이설계변수를설정하여, 두께를 2[mm] 단위로증가또는감소시켜해석을수행하였다. Alt. 1 Chock only Alt. 2 Chock + Single seat Alt. 3 Chocks + Double seats Table 10 Analysis cases for seat type Chock Seat Plate [mm] [mm] [mm] 1 34 16 24 2 34 18 24 3 32 18 24 4 34 18 22 나. 불워크타입 불워크타입의 10 종류중, Table 1에서여덟번째에해당하는 500 250 428 에대해서해석을수행하였으며, 나머지사이즈에대해서도동일한방법으로파라메트릭해석을수행하였다. 불워크타입초크의파라메트릭해석을수행하기위한설계변수는초크의두께 ( ) 와브라켓두께 ( ) 로선정하였으며 Fig. Fig. 10 Design variables of seat type for parametric analysis 11 에나타내었다. 설계변수를 Table 11 에나타내었으며두께를 2[mm] 단위로증가또는감소시켜해석을수행하였다. 하중적용시초크와시트의영향도를분석하기위해초크단독, 초크와싱글시트, 초크와더블시트의세가지경우로해석을수행하였으며하중조건은측면방향하중 (LC 1), 아래방향하중 (LC 2) 으로각각수행하였다. Table 9에시트타입의해석조건을나타내었다. 초크및시트의기본모델은현재대형조선소에서사용하고있는치수를참고해서사용하였으며목표 은 이다. 기본모델과초크및시트의두께변화에따라 4가지경우의유한요소해석을수행하였으며해석경우를 Table 10 에나타내었다. Table 8 Design variables of seat type Design variable Thickness of chock Thickness of seat Thickness of front plate Symbol Fig. 11 Design variables of bulwark type for parametric analysis Table 11 Design variables of bulwark type Design variable Thickness of chock Thickness of bracket Symbol 138 대한조선학회논문집제 49 권제 2 호 2012 년 4 월
정재욱 이병훈 하중 적용 시 초크와 시트의 영향도를 분석하기 위해 초크 단 독, 초크와 결합된 불워크의 두 가지 경우로 해석을 수행하였으 며 하중 조건은 측면 방향 하중(LC 1), 하방 방향 하중(LC 2)으 로 각각 수행하였다. Table 12에 시트 불워크의 해석 조건을 나 타내었다. Table 12 Analysis s for bulwark type Alternative Analysis Alt. 1 Chock only Alt. 2 Chock + Bulwark (a) Equipment for strength test 초크 및 불워크의 기본 모델은 현재 대형 조선소에서 사용하고 있는 치수를 사용하였으며 목표 은 이다. 기본 모델 과 초크 및 브라켓의 두께 변화에 따라 3가지 경우의 유한요소해 석을 수행하였으며 해석 경우를 Table 13에 나타내었다. Table 13 Analysis cases for bulwark type Chock Bracket 1 40 22 2 40 24 3 38 24 (b) Data receiving equipment 3.2 클로즈드 초크의 강도시험 클로즈드 초크 50종의 표준화 모델 중 한 가지 경우에 대하여, 유한요소해석 결과의 검증을 위하여 강도시험을 수행하였다. 실 험 대상은 Table 1에 나와 있는 시트 타입 초크 2번이며, 실험 장치는 Fig. 12에 나타내었다. Fig. 12(a)와 같이 인장 시험이 가 능하도록 장치를 구성하였고, Fig. 12(b)와 같이 스트레인 게이지 와 측정 장비를 설치하였다. 로프는 Fig. 13에서 보는 것과 같이 로프의 한쪽 끝은 고정이 되어있고 다른 쪽 끝에서 인장하중을 0 에서 205 ton까지 가해서 실험을 하였다. 하중을 순차적으로 증 가시키면서 스트레인 게이지를 초크 및 시트 각 부위에 설치하여 변형량을 측정하였다. (c) Locations of strain gauges Fig. 12 Equipment for test Fig. 12(c)에 초크 및 시트 부위의 스트레인 게이지 설치 부위 를 나타내었다. 취약 부위로 예상되는 22개소의 위치에 설치하 Fig. 13 Applied load JSNAK, Vol. 49, No. 2, April 2012 여, 각 부위의 변형량 데이터를 추출하였다. 139
유한요소법을이용한클로즈드초크의구조검증및표준화에대한연구 4. 결과분석 4.1 클로즈드초크의평가 4.1.1 클로즈드초크의유한요소해석결과가. 설계하중계산클로즈드초크및시트의 계산을위한허용응력은재료의항복응력의 1.06 배로설정하였다. 따라서초크의허용응력은 291.5 MPa, 시트및불워크의허용응력은 249.1 MPa 로설정하였다. 나. 유한요소해석결과초크만단독으로유한요소해석을한결과 (Alt. 1) 를 Table 14 과 Fig. 14 에나타내었으며초크와시트를같이포함한해석결과 (Alt. 2) 는 Table 15 와 Fig. 15 에나타내었다. 초크만단독으로해석한경우유한요소해석에서최대응력은 2.90 10-4 MPa이며 은계산식에의해 (291.5 MPa) (1 N)] / [(2.90 10-4 MPa) 1.25] = 804,137 N = 82.05 ton 이된다. 이것은목표 ton 보다크므로허용치내에들었다고할수있다. 초크와시트를같이포함한해석의경우초크의최대응력은 2.84 10-4 MPa, 시트는 3.11 10-4 MPa 로나타났다. 동일한방법으로계산된 은각각 73.44 ton 과 70.36 ton 이되어목표 ton 보다크므로허용치내의값을가진다. 초크단독으로해석을수행한경우에서, Fig. 14 은 Table 14 에대응하는결과값을요소별로도식화한것으로서각하중조건별로외부에노출된취약부위를표현해주고있다. 초크단독으로해석한경우에로프에접하는면의중심주위에가장큰응력이분포함을확인할수있다. Table 14 Result of FE analysis for Alt. 1 [ 10-4 MPa] Chock Chock LC 1 2.90 82.05 시트와결합된초크의해석을수행한경우에서, Fig. 15 는 Table 15 에대응하는결과값을요소별로도식화한것으로서각하중조건별로외부에노출된취약부위를표현해주고있다. 로프에접하는면의중심주위, 초크와시트가용접되는부위, 시트가선체에용접되는부위에가장큰응력이분포함을확인할수있다. Table 15 Result of FE analysis for Alt. 2 [ 10-4 MPa] Chock Seat Chock Seat LC 1 3.24 2.89 73.44 70.36 Fig. 15 Result of FE analysis for Alt. 2 at closed chock 4.1.2 클로즈드초크의강도평가실험결과 Fig. 14 Result of FE analysis for Alt. 1 at closed chock 강도평가실험결과클로즈드초크 (360 260 358) 및시트의측정위치에서실험장치의모니터링시스템에서획득한하중과응력을 Table 16 에나타내었다. 표에표시된응력은실험에서추출된스트레인값을영률 (Young's modulus) 을고려하여계산하였다. 구해진응력값을 0점조정을고려하여, Fig. 16 과같이그래프에나타내었고, CH9 에서 max. stress 값이발생하였다. 시트또는불워크재료의인장항복응력이 235 MPa 수준에해당하는하중값은약 96 ton 으로측정되었고, Table 17 과같이해석결과값과비교하였다. 140 대한조선학회논문집제 49 권제 2 호 2012 년 4 월
정재욱 이병훈 Table 16 Results of test for closed chock and seat Unit : MPa Force CH 1 CH 2 CH 3 CH 4 CH 5 CH 6 CH 8 CH 9 CH 10 CH 11 CH 12 CH 13 CH 14 CH 15 CH 17 CH 18 CH 19 CH 20 CH 21 CH 22 (ton) 0.00-1.65-1.65-1.03 2.27 0.82-2.06-4.12 5.82 1.44 5.63 2.95-14.63-2.27-2.06 0.00-7.83-6.18 3.50-5.77-1.65 10.04-0.62-0.62 0.00 14.63 9.27 4.46-1.65 28.63 15.45 15.38 7.00-21.63-9.06-9. -1.03-12.77-14.21-6.39-12.57-6.39 20.00 1.03 1.24 1.85 28.43 18.13 11.33 2.27 50.26 31.52 26.37 11.74-28.43-15.04-16.27-8.45-23.48-26.99-18.13-23.07-14.21 29.64 2.47 2.88 3.50 41.41 26.57 17.72 5.77 69.83 46.90 37.08 16.07-35.02-21.22-22.87-24.93-34.61-38.93-27.81-33.17-22.25 39.55 3.91 4.53 5.56 55.41 35.43 24.93 9. 91.05 63.45 50.26 21.01-42.02-27.60-29.87-44.63-46.56-50.74-35.91-42.64-30.49 50.00 5.77 7.00 7.83 71.34 45.59 32.96 14.21 117.15 81.16 65.30 26.78-49.44-33.99-37.08-62.83-59.12-62.62-38.52-51.71-39.35 58.62 7.21 8.65 9.48.73 54.38 39.55 17.92 139.67 96.20 84.46 31.52-57.20-39.41-43.05-77.04-67.84-70.04-39.55-58.50-46.35 62.14 8.24 9.89 10.92 99.50 62.42 45.94 21.63 159.44 107.64 98.57 34.81-61.80-42.02-45.94-84.05-71.28-73.34-41.20-63.24-49.44 70.94 10.09 11.95 12.77 111.45.19 50.47 24.93 170.98 120.99 126.35 38.93-75.74-47.17-51.91-93.73-78.69-80.13-39.96-74.37-58.50 79.92 11.95 14.21 14.83 126.69 78.69 57. 30.49 194.67 139.87 150.17 43.88-90.23-53.56-59.12-106.09-88.58-88.17-46.76-90.43-62.01 88.48 14.21 16.89 17.51 143.79 90.64 65.51 36.05 217.74 160.27 178.19 48.62-109.18-60.15-66.61-120.85-96.06-96.34-52.12-108.97-64. 100.18 17.10 19.98 20.81 164.80 105.27 76.63 43.05 245.76 184.78 203.46 55.28-127.45 -.46-76.08-138.64-105.88-107.12-60.15-126.48-71.07 109.29 20.19 23.69 24.10 185.19 119.69 84.46 52.12 2.42 208.40 216.16 61.18-152.37-75.19-83.84-153.47-111.65-112.48-59.53-145.64-74.37 120.36 22.87 26.99 26.99 205.38 134.93 93.32 59.74 291.90 235.15 228.76 67.26-172.01-83.22-92.91-169.95-119.07-120.92-64.89-163.15-81.78 130.36 25.34 30.08 29.87 226.26 149.14 100.80 67.84 310.85 260.38 239.58 72.31-195.91-91.05-101.76-184.78-123.19-129.37-56.44-182.52-88.58 140.14 28.22 33.37 32.96 251.11 163.15 108.97 73.34 326.78 290.53 254.41 77.87-222.34-99.77-111. -201.06-128.75-138.43-62.01-201.06-96.00 150.40 30.69 36.46 35.23 271.85 175.17 116.46 77.59 336.60 311.47 266.56 81.99-237.52-108.15-122.36-215.06-136.78-145.02-67.77-215.89-101.56 159.69 34.40 40.79 39.76 304.88 198.79 128.75 85.28 344.02 330.42 291.28 90.13-272.33-118.55-134.52-262.44-144.61-151.82-65.71-244.32-104.44 170.36 37.49 44.50 43.05 333.51 228.04 141.11 92.49 351.23 330.42 313.33 95. -299.25-130.19-148.05-305.91-156.15-161.50-72.10-273.36-111. 180.45 40.58 48.20 46.35 3.12 264.71 153.26 97.03 361.94 330.42 328.16 101.49-329.81-142.83-163.91-352.88-167.89-169.54-76.84-307.56-123.81 190.58 44.50 52.94 50.47 408.70 304.88 165.83 105.27 389.13 330.42 345.26 107.74-369.56-155.02-179.74-395.31-181.49-172.42-78.90-346.70-136.37 200.36 49.23 58.71 55.21 465.15 366.47 180.87 115.77 450.11 330.42 361.26 114.95-409.46-170.98-201.12-442.28-209.71-181.07-83.64-401.08-138.43 Fig. 16 Force-stress curves of closed chock and seat Table 17 에동일모델에대한유한요소해석결과와강도시험결과를비교하였다. 강도평가실험의경우 96 ton 이측정되었다. 해석결과 70.36 ton 을설계하중요소 1.25 와허용응력요소 1.06 을감안하면, 해석을통하여안전율을고려하지않고얻을수있는실제값은 82.78 ton 이된다. 이는강도시험평가결과인 96 ton 은실제해석수치인 82.78 ton 의약 1.16 배에해당하는수치다. 두가지경우를종합해볼때, 강도시험과유한요소해석 결과, 초크의허용응력설계관점에서볼때합리적이라판단된다. Table 17 Comparison between FEM analysis and strength test Seat type (360 260 358) FEM analysis Tensile test Error [%] 82.78 96 16 JSNAK, Vol. 49, No. 2, April 2012 141
유한요소법을이용한클로즈드초크의구조검증및표준화에대한연구 4.2 클로즈드초크표준화강도해석결과 가. 해석조건 4.2.1 시트타입 Table 18 와같이세가지경우로나누어해석을수행하였다. Alt. 1은초크단독으로적용된경우, Alt. 2는하나의초크와시트가결합된경우그리고, Alt. 3은두개의초크와시트가결합된경우이다. 세가지해석경우이외에, 우선선체의형상을고려하여해석을수행하였다. Table 19 및 Fig. 17 의해석결과, 선체에걸리는응력이상대적으로낮게확인되므로선체는고려하지않고 Alt. 1 ~ 3의해석을수행하였다. 나. 해석결과 시트타입에대한유한요소해석결과를 Tables 20 ~ 22 에나타내었다. Tables 20 ~ 22 에서확인하는바와같이 3가지경우, 10 종모두에서목표 을초과하는결과값이나왔다. Table 18 Analysis s for seat type Alternative Analysis Alt. 1 Chock only Alt. 2 Chock + Single seat Alt. 3 Chocks + Double seats Table 19 Result of FE analysis with hull [ 10-4 MPa] Chock Hull Chock Hull LC 1 2.85 1.69 83.49 120.32 LC 2 3.49 2.13.18 95.47 * Nominal size : 310 260 358 46 준화대상으로선정된 10 종은해석결과범위내에서적절하다고판단된다. Table 20 Results of FE analysis for Alt. 1 Nominal size 310 260 358 360 260 358 400 250 381 450 250 381 500 250 381 400 250 428 450 250 428 500 250 428 500 400 428 500 400 525 [ 10-4 MPa] Chock Chock LC 1 3.19 74.52 LC 2 3.25 73.14 LC 1 2.90 82.05 LC 2 2.36 100.73 LC 1 3.10 76. LC 2 2.17 109.55 LC 1 2.81 84.60 LC 2 2.05 115.96 LC 1 2.69 88.37 LC 2 2.21 107.56 LC 1 2.26 105.18 LC 2 2.43 97.83 LC 1 2.28 104.26 LC 2 2.19 108.55 LC 1 2.26 105.18 LC 2 2.01 118.27 LC 1 2.24 106.12 LC 2 2.00 118. LC 1 1.71 139.02 LC 2 1.59 149.51 46 70 70 70 115 Alt. 2의결과는 Table 21 과같다. 시트가결합된초크를해석하여얻은결과 은각공칭치수별목표 을만족하며, 표준화대상으로선정된 10 종은해석결과범위내에서적절하다고판단된다. Table 21 Results of FE analysis for Alt. 2 Nominal size [ 10-4 MPa] Chock Seat Chock Seat 310 260 358 LC 1 3.48 4.07.38 49.96 46 LC 2 3.56 1.97 66.84 103.22 360 260 358 LC 1 3.24 2.89 73.44 70.36 LC 2 2.89 1.49 82.34 136.47 400 250 381 LC 1 3.30 2.82 72.04 72.04 70 LC 2 2.32 2.00 102.46 101.57 450 250 381 LC 1 3.03 2.81 78.45 72.29 70 LC 2 2.22 1.55 107.08 131.06 500 250 381 LC 1 2.89 2.58 82.25 78.74 70 LC 2 2.31 1.87 102.91 108.63 400 250 428 LC 1 2.43 2.22 97.83 91.50 LC 2 2.53 1.07 93.96 189.85 450 250 428 LC 1 2.44 1.95 97.42 104.17 LC 2 2.26 1.22 105.18 166.51 Fig. 17 Result of FE analysis with hull (LC 1) Alt. 1의결과는 Table 20 과같다. 초크단독으로해석을수행하여얻은결과 은각공칭치수별목표 을만족하며, 표 500 250 428 LC 1 2.43 1. 97.83 109.21 LC 2 2.05 1.26 115.96 161.22 500 400 428 LC 1 2.34 2.17 101.59 93.61 LC 2 2.10 1.32 113.20 153.89 500 400 525 LC 1 1.77 1.62 134.30 125.39 115 LC 2 1. 1.01 141.50 201.13 142 대한조선학회논문집제 49 권제 2 호 2012 년 4 월
정재욱 이병훈 Alt. 3의결과는 Table 22와같다. 두개의초크와결합된시트를해석하여얻은결과 은각공칭치수별목표 을만족하며, 표준화대상으로선정된 10 종은해석결과범위내에서적절하다고판단된다. Table 22 Results of FE analysis for Alt. 3 Nominal size [ 10-4 MPa] Chock Seat Chock Seat 310 260 358 LC 1 3.54 4.24 67.22 47.96 46 LC 2 3.42 2.14 69.58 95.02 360 260 358 LC 1 3.20 2.87 74.36 70.85 LC 2 2.92 1.48 81.49 137.40 400 250 381 LC 1 3.30 2.89 72.04 70.29 70 LC 2 2.29 1.57 103.81 129.39 450 250 381 LC 1 3.05 2.82 77.94 72.04 70 LC 2 2.22 1.56 107.08 130.22 500 250 381 LC 1 2.91 2.60 81.69 78.13 70 LC 2 2.32 1.77 102.46 114.77 400 250 428 LC 1 2.46 2.24 96.63 90.69 LC 2 2.53 1.10 93.96 184.67 450 250 428 LC 1 2.46 1.95 96.63 104.17 LC 2 2.26 1.24 105.18 163.82 500 250 428 LC 1 2.49 2.09 95.47 97.20 LC 2 2.09 1.58 113.74 128.57 500 400 428 LC 1 2.34 2.23 101.59 91.09 LC 2 2.10 1.33 113.20 152.74 500 400 525 LC 1 1.72 1.72 138.21 118.10 115 LC 2 1.66 1.10 143.20 184.67 가. 해석조건 4.2.2 불워크타입 Table 23 과같이두가지경우로나누어해석을수행하였다. Alt. 4는초크단독으로적용된경우, Alt. 5는초크와불워크가결합된경우이다. 나. 해석결과 불워크타입에대한유한요소해석결과를 Tables 24 ~ 25 에나타내었다. Tables 24 ~ 25 에서확인하는바와같이 2가지경우, 10 종모두에서목표 을초과하여만족한결과가나왔다. Table 23 Analysis s for bulwark type Alternative Analysis s Alt. 4 Chock Alt. 5 Chock + Bulwark Alt. 4의결과는 Table 24 와같다. 초크단독으로해석을수행한결과 은각공칭치수별목표 을만족하며, 표준화대상으로선정된 10 종은해석결과범위내에서적절하다고판단된다. Table 24 Results of FE analysis for Alt. 4 Nominal size [ 10-4 MPa] Chock Chock 310 260 358 LC 1 2.37 100.30 46 LC 2 1.98 120.06 360 260 358 LC 1 2.18 109.04 LC 2 1.88 126.45 400 250 381 LC 1 2. 83.20 70 LC 2 2.85 83.49 450 250 381 LC 1 2.89 82.34 70 LC 2 2.72 87.48 500 250 381 LC 1 2. 83.20 70 LC 2 2.77 85.91 400 250 428 LC 1 2.12 112.24 LC 2 2.15 110. 450 250 428 LC 1 2.12 112.24 LC 2 2.15 110. 500 250 428 LC 1 2.12 112.24 LC 2 2.15 110. 500 400 428 LC 1 2.10 113.31 LC 2 2.16 110.17 500 400 525 LC 1 1.63 145.99 115 LC 2 1.55 153.52 Alt. 5의결과는 Table 25와같다. 불워크가결합된초크를해석하여얻은결과 은각공칭치수별목표 을만족하며, 표준화대상으로선정된 10 종은해석결과범위내에서적절하다고판단된다. Table 25 Results of FE analysis for Alt. 5 Nominal size [ 10-4 MPa] Chock Bulwark Chock Bulwark 310 260 358 LC 1 3.20 2.76 74.36 73. 46 LC 2 2.27 2.63 104.83 77.32 360 260 358 LC 1 2. 2.54 83.20 80.06 LC 2 2.07 2.53 114.96 80.37 400 250 381 LC 1 3.36 2.72 70.82 74.76 70 LC 2 2.83 2.05 84.08 99.19 450 250 381 LC 1 3.11 2. 76.51 75.88 70 LC 2 2.60 2.06 91.52 98.71 500 250 381 LC 1 3.22 2.50 73.90 81.34 70 LC 2 2.63 1.96 90.48 103.75 400 250 428 LC 1 2.61 1.98 91.17 102.70 LC 2 2.20 2.13 108.16 95.47 450 250 428 LC 1 2.61 1.94 91.17 104.82 LC 2 2.19 2.35 108.66.53 500 250 428 LC 1 2.56 1.93 92.95 105.36 LC 2 2.13 2.06 111.72 98.71 500 400 428 LC 1 2.52 2.00 94.43 101.67 LC 2 2.23 2.13 106.71 95.47 500 400 525 LC 1 1.89 1.60 125.90 127.09 115 LC 2 1.38 1.71 172.43 118.92 JSNAK, Vol. 49, No. 2, April 2012 143
유한요소법을이용한클로즈드초크의구조검증및표준화에대한연구 4.3 파라메트릭해석결과 4.3.1 시트타입 시트타입초크 (nominal size: 360 260 358) 의설계변수인초크의두께와시트의두께, 시트플레이트전면부두께에따라파라메트릭해석을수행하였다. 해석결과를초크단독, 초크와싱글시트, 더블초크와더블시트의경우로나누어 Tables 26 ~ 28 에각각나타내었다. Table 26 Results of parametric analysis for chock only 1 2 3 4 [ 10-4 MPa] Chock Chock LC 1 3.03 78.45 LC 2 2.64 90.04 LC 1 2.90 82.05 LC 2 2.36 100.73 LC 1 3.29 72.25 LC 2 2.98 79.77 LC 1 3.03 78.45 LC 2 2.74.76 Table 27 Results of parametric analysis for one chock and single seat [ 10-4 MPa] Chock Seat Chock Seat LC 1 3.25 3.28 73.22 62.00 1 LC 2 2.89 1.62 82.34 125.52 LC 1 3.24 2.89 73.44 70.36 2 LC 2 2.89 1.49 82.34 136.47 LC 1 3.50 2.91 67.99 69.88 3 LC 2 3.24 1.56 73.44 130.35 LC 1 3.25 2.91 73.22 69.88 4 LC 2 3.00 1.60 79.32 127.09 Table 28 Results of parametric analysis for two chocks and double seats [ 10-4 MPa] Chock Seat Chock Seat LC 1 3.21 2.96 74.13.70 1 LC 2 2.92 1.52 81.49 133.78 LC 1 3.20 2.87 74.36 70.85 2 LC 2 2.92 1.48 81.49 137.40 LC 1 3.41 2.88 69.78 70.61 3 LC 2 3.15 1.53 75.54 132.91 LC 1 3.42 3.10 69.58 65.60 4 LC 2 3.16 1.62 75.30 125.52 1의해석결과를 Tables 26 ~ 28 에나타내었다. 초크단독일경우와초크와더블시트인경우에는목표 을만족하 지만초크와싱글시트인경우시트의계산된 값은 62.0 으로목표 인.0 에미치지못하였다. 2에서는 1의해석결과를바탕으로시트의두께를 2[mm] 증가시켜해석을수행하였으며, 모든경우에목표 을만족하였다. 3의경우 2의해석결과를바탕으로초크의두께를 2[mm] 감소시켜해석을수행하였으며, 초크와싱글시트의경우계산된최소 값은 67.99 으로목표 인.0 에미치지못하였다. 4의경우 2의해석결과를바탕으로초크의두께를 2[mm] 감소시켜해석을수행하였으며, 초크와싱글시트의경우시트전방플레이트의계산된최소 값은 65.60 으로목표 인.0 에미치지못하였다. 따라서 2가모든경우에목표 을만족하였으므로, 이를최종치수로선정하였으며 Table 29 에나타내었다. Table 29 Final dimensions of seat type chock Chock Seat Plate [mm] [mm] [mm] 2 34 18 24 4.3.2 불워크타입 불워크타입초크 (nominal size : 500 250 428) 의설계변수인초크의두께와브라켓의두께에따라파라메트릭해석을수행하였으며해석결과를초크단독, 초크와불워크의경우로나누어 Tables 30 ~ 31 에나타내었다. Table 30 Results of parametric analysis for chock only [ 10-4 MPa] Chock Chock LC 1 2.12 112.24 1 LC 2 2.15 110. LC 1 2.12 112.24 2 LC 2 2.15 110. LC 1 2.37 100.40 3 LC 2 2.41 98.74 Table 31 Results of parametric analysis for chock and bulwark [ 10-4 MPa] Chock Bulwark Chock Bulwark LC 1 2.61 2.40 91.17 84.73 1 LC 2 2.15 2.41 110. 84.38 LC 1 2.56 1.93 92.38 105.36 2 LC 2 2.13 2.06 111.72 98.71 LC 1 2.88 2.07 82.62 98.24 3 LC 2 2.40 2.12 99.15 95.92 144 대한조선학회논문집제 49 권제 2 호 2012 년 4 월
정재욱 이병훈 1의해석결과를 Tables 30 ~ 31 에나타내었다. 초크단독일경우와초크와불워크인경우에는목표 을만족하지만초크와불워크인경우초크와시트의계산된 값은 84.73, 84.38 로목표 인 에미치지못하였다. 2에서는 1의해석결과를바탕으로시트의두께를 2[mm] 증가시켜해석을수행하였으며, 모든경우에목표 을만족하였다. 3의경우 2의해석결과를바탕으로초크의두께를 2[mm] 감소시켜해석을수행하였으며, 초크와불워크의경우초크의계산된최소 값은 82.62 으로목표 인 에미치지못하였다. 따라서, 2가모든경우에목표 을만족하였으므로, 이를최종치수로선정하였으며 Table 32 에나타내었다. 결론적으로본파라메트릭방법을통해 Tables 2 ~ 5의치수가결정되었고, 4장의해석결과를통해각치수별해석대상들이목표 을만족함을확인하였다. Table 32 Final dimensions of bulwark type chock Chock Plate [mm] [mm] 2 40 24 5. 결론 본연구에서는유한요소법을이용하여선박계류장치중가장일반적으로많이사용되고있는클로즈드형에대한강도해석을수행하여표준화작업을수행하였다. 본연구를통해얻은결론은다음과같다. 1. 클로즈드초크의유한요소법을이용한강도해석을수행하였고이를검증하기위해실제강도실험의결과와비교하였다. 유한요소해석과실험결과는약 16% 의오차를보이며비교적잘일치하였다. 4. 클로즈드초크의표준화작업을통해대형및중소조선사들에게표준을제공하여선박의표류, 선체의손상으로인한선박유의유출등대형사고방지를위한기초자료를제시하였다. 후기 이논문은부산대학교자유과제학술연구비 (2년 ) 에의하여연구되었음. 참고문헌 Cha, J.H., 2009. Improvement Directions of Ship Equipment Standards. Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea, 46(2), pp.10-16. IACS., 2004. Shipboard fittings and supporting hull structures associated with towing and mooring on conventional vessels (IACS UR A2). IACS., 2011. Common structural rules for bulk carriers. ISO 3913., 1977. Shipbuilding - Welded Steel Bollards. 1st Ed. JIS F 2001-1995., 1995. Bollards. KOMERI., 2008. Mooring Fitting Standard (Dry Cargo Ship) Summery. KOMERI., 2008. Mooring Fitting Standard (Dry Cargo Ship) Final Report. KS V 4011., 2009. Seats for closed chocks. OCIMF., 1997. Mooring Equipment Guidelines. 2nd Ed. Oh, J.R., 2009. Global Standard for Ship Mooring Equipment. Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea, 46(2), pp.17-20. Oh, C.M. Choung, J.M. & Cho, S.R., 2006. Ultimate Strength Assessment of Bollard and Its Foundation Considering Production Costs. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 43(5), pp.604-610. 2. 유한요소해석을통해얻어지는취약부위에대한정보를바탕으로강도실험을수행한다면, 오차를줄일수있고, 더욱정확한결과값을얻을수있으리라판단된다. 3. 클로즈드초크구조부재의두께와강도사이의영향을분석하기위해파라메트릭해석에따른 의적용이적절한것으로밝혀졌다. 이러한결과를바탕으로나머지다양한크기의클로즈드초크에대해서도유한요소해석을수행하여표준화대상에대한검증작업을실시하였다. 정재욱 이병훈 JSNAK, Vol. 49, No. 2, April 2012 145